射流曝氣器的原理

［轉(zhuǎn)帖］射流曝氣器的原理分析射流曝氣作為繼鼓風(fēng)曝氣、機(jī)械曝氣之后的第三種曝氣方式，以其結(jié)

構(gòu)簡(jiǎn)單、占地省、基建投資少等優(yōu)點(diǎn)引起人們的關(guān)注。射流曝氣器一般由噴嘴、吸入室、混入室三個(gè)部分組成，這是一個(gè)典型的單噴嘴構(gòu)造，也是污水生化處理常用的曝氣用射流器。見圖1。圖1射流器結(jié)構(gòu)示意圖1-噴嘴2-吸氣室3-喉管4-擴(kuò)散管5-尾管把射流曝氣作為一種曝氣方法使用，并作為一種污水生化處理系統(tǒng)運(yùn)行，綜合射流器、池型、工藝配置提出較為合理的設(shè)計(jì)參數(shù)及運(yùn)行參數(shù)，從而使射流曝氣法更加具有普遍性。現(xiàn)從以下幾個(gè)方面分析影響射流曝氣工藝的因素：一、射流曝氣器結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響1、 噴嘴形狀。噴嘴形狀有多種，如圓薄壁孔板形、流線形、圓錐形收縮及多孔噴嘴等。其中以流線形噴嘴效率最好，但因其加工困難，所以不如圓錐形噴嘴使用范圍廣泛。圓薄壁孔板形噴嘴的射流緊密段較短，射流具有較高的破裂率，所以其喉嘴距較短。由于噴嘴口徑的尺寸對(duì)射流器的影響很敏感，因此要考慮防銹問(wèn)題，一般噴嘴的材料常用不銹鋼、銅或者其它材料進(jìn)行鍍銘處理。2、 噴嘴收縮角（對(duì)圓錐形收縮噴嘴而言）或噴嘴直徑。由于射流器的工作介質(zhì)為污水或污水與活性污泥的混合物，從防止噴口堵塞方面來(lái)考慮，噴口直徑不宜太小，但從射流器在整個(gè)曝氣池中曝氣與氣液的均勻性以及在操作運(yùn)轉(zhuǎn)的靈活性等方面考慮，噴口直徑也不宜過(guò)大。一般直徑為25mm左右為宜。3、 吸氣室。它是噴嘴和喉管共同的固定基礎(chǔ)，進(jìn)氣管與之相連。吸氣室一般為圓筒狀，氣體截面積為噴嘴出口面積的6?10倍。根據(jù)吸入流體與工作液體的流動(dòng)方向可把吸氣管設(shè)計(jì)成與工作液體平行或斜交(垂直)兩種。一般認(rèn)為吸入氣體的進(jìn)入方向和工作水的進(jìn)入方向之夾角以40?60。為好，夾角線與噴嘴管軸線交點(diǎn)宜在噴嘴之前，這樣可防止進(jìn)氣直徑?jīng)_擊入射水。4、 喉管進(jìn)口段。它把吸氣室與喉管連接起來(lái)。為了減少被吸入氣體的能量損失，一般采用收縮圓錐形或光滑曲線形，其收縮角在13?120°之間。當(dāng)喉管噴嘴面積比m(m指喉管截面與噴口截面之比)小時(shí)，收縮角取小值；喉管噴嘴面積比m大時(shí)，收縮角取大值。也有人

認(rèn)為收縮角宜在30?60。之間。5、 喉嘴距，即噴嘴出口斷面到喉管入口斷面之間的距離。這段距離對(duì)射流器充氧效果來(lái)說(shuō)是不利的，故要求做得越短越好。它一般在(0.5?2)d噴嘴的范圍內(nèi)。當(dāng)喉管較短時(shí)，適當(dāng)增大喉嘴距，可以防止射流穿透喉管而不起混合作用。6、 喉管長(zhǎng)徑比(L/D)及喉管噴嘴面積比(m)。用射流器來(lái)曝氣，喉管是一個(gè)關(guān)鍵部件。由于引射介質(zhì)為空氣，按照曝氣充氧的要求，一方面希望氣泡被“切割”越小越好，這就要求工作介質(zhì)與引射介質(zhì)之間要進(jìn)行劇烈的紊動(dòng)混合作用。喉管的適當(dāng)長(zhǎng)度及大小(一般用喉管截面與噴口截面之比m來(lái)表示)，對(duì)加強(qiáng)氧的轉(zhuǎn)移作用以及為充分發(fā)揮活性污泥的生物學(xué)特性具有重要作用。另一方面也希望能抽吸更多的氣體，以滿足廢水生物處理的供氧要求，前者要求混合管的直徑偏小為佳，而后者要求偏大為好，兩者之間的要求看似矛盾，但從氧的轉(zhuǎn)移及動(dòng)力消耗這兩方面來(lái)考慮，兩者之間又存在著一個(gè)最佳值，因?yàn)樽晕溲?，混合管直徑要求不宜過(guò)大，否則高速射流在混合管部分不起紊動(dòng)混合作用，而同時(shí)混合管的長(zhǎng)度也不宜過(guò)小，否則射流會(huì)直接穿透混合管而不起混合、摻混作用。喉管的長(zhǎng)度不但影響其本身的工作，而且影響在它后面的擴(kuò)散管的工作：喉管越長(zhǎng)，其中的摩擦損失越大，出口處速度分布越均勻，擴(kuò)散管中的損失就越小：喉管越短，其中的摩擦損失越小，它的出口處速度越不均勻，它后面的擴(kuò)散管中的損失就越大；為了減少摩擦損失和擴(kuò)散損失，這樣就存在一個(gè)最優(yōu)長(zhǎng)度的問(wèn)題。根據(jù)長(zhǎng)徑比的大小，射流器可分為短喉管和長(zhǎng)喉管兩種。短喉管的長(zhǎng)徑比L/D一般在4?10之間，長(zhǎng)喉管的長(zhǎng)徑比與喉管面積比m有關(guān)，其長(zhǎng)徑比大小一般在60以上。研究結(jié)果表明，短喉管最佳長(zhǎng)徑比在4?8之間，也有人認(rèn)為此值應(yīng)更大，在8?15之間，北京建筑工程學(xué)院李燕城實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為L(zhǎng)/D=(90?120)，當(dāng)然這已屬于長(zhǎng)喉管范圍了。對(duì)于面積比m，北京建筑工程學(xué)院李燕城通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出如下經(jīng)驗(yàn)公式：m=7.16?0.148d(4)式中：d—噴嘴直徑，在此經(jīng)驗(yàn)公式中d=(14?30)mm。7、 擴(kuò)散管。射流器擴(kuò)散管實(shí)際上起著混合管與尾管之間的連接作用，從流體力學(xué)的角度來(lái)看它是起著一個(gè)由動(dòng)能逐漸向壓能轉(zhuǎn)化的作用，以減少能量的損失。當(dāng)曝氣用射流器安裝在曝氣池水面以上時(shí)，這個(gè)作用是很明顯的?？諝夂土黧w的擴(kuò)散管實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)擴(kuò)散角為4?10。時(shí)，阻力系數(shù)最小，因此擴(kuò)散管的擴(kuò)散角e在4?10。之間比較好。為了進(jìn)一步減小擴(kuò)散損失，當(dāng)面積比mV4時(shí)，可采用分段擴(kuò)散的方法，擴(kuò)散角分別由小到大。擴(kuò)散管長(zhǎng)度一般為4?7（d尾管-d喉管）。8、 其它因素。為了保證射流器具有良好的水力性能，防止出現(xiàn)折沖水流和漏水現(xiàn)象，必須保證噴嘴、喉管、擴(kuò)散管三者在組裝或加工時(shí)必須同心，同軸（心）度應(yīng)達(dá)到精度等級(jí)的9?10級(jí)，或控制在0.05?0.40mm之內(nèi)，射流器越小，精度要求越高，射流器越大精度可降低些。對(duì)于噴嘴和喉管這兩個(gè)主要部件，為了減少摩擦阻力損失，提高射流器效率，內(nèi)壁加工光潔度應(yīng)達(dá)到3.2?1.6以上。二、工作條件的影響1、供氣方式。根據(jù)供氣方式的不同，射流曝氣可分為兩大類：強(qiáng)制供氣（有壓）式和自吸（負(fù)壓）式。供氣式：空氣的進(jìn)入是由外部風(fēng)機(jī)以低壓送入吸入室，空氣量的控制比較方便，安裝上多在池內(nèi)淹沒于水中，維修不方便。自吸式：空氣的進(jìn)入是*有壓工作流體經(jīng)噴嘴噴出的高速射流在吸入室形成負(fù)壓，將空氣吸入，其最大優(yōu)點(diǎn)是：取消了鼓風(fēng)機(jī)，設(shè)備簡(jiǎn)單，而且多安裝在池外，不淹沒于水中，安裝維修方便，但由于進(jìn)氣量的限制，充氧能力也受一定的限制。因此應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際情況選用適合的供氣方式。2、工作介質(zhì)壓力。國(guó)內(nèi)常用的射流器根據(jù)工作介質(zhì)的壓力可分為高壓型與低壓型兩種，高壓射流器目前的工作壓力為0.2MPa，低壓為0.07MPa。高壓型射流器噴嘴流速為20m/s左右，低壓為12m/s左右。低壓型射流器理論上的能量消耗是高壓型的1/3,而實(shí)際上可能還要少一些。3、曝氣池水深。由于氧的吸收與水深成正比的關(guān)系，因此增大曝氣

池水深可提高氧的轉(zhuǎn)移率，但也不是無(wú)限制地增加，如果水深超過(guò)了

氧100%溶解的深度就沒有意義了；而且這只是一個(gè)理論值，在實(shí)際

應(yīng)用中還要考慮費(fèi)用等因素。北京建筑工程學(xué)院李燕城等通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出一個(gè)最佳曝氣池水深計(jì)算

公式，可供參考：

H=3.05+0.082d(5)式中：H—曝氣池有效水深，m；d一噴嘴直徑，mm；在此經(jīng)驗(yàn)公式中d=(14?30)mm。由上式看出，在噴嘴直徑d=(14?30)mm范圍內(nèi)，曝氣池最佳水深為H=4.2?5.5m。4、服務(wù)面積。生化處理曝氣池中溶解氧濃度要保持在2mg/L左右。射流器出流在曝氣池中形成的混合攪拌作用使曝氣池中液體混合均勻需要一個(gè)過(guò)程。如果曝氣池中某一點(diǎn)上氧的擴(kuò)散速度小于活性污泥的耗氧速度，就會(huì)出現(xiàn)缺氧現(xiàn)象，破壞生化處理過(guò)程。因此就有一個(gè)服務(wù)面積問(wèn)題。如果服務(wù)面積太小，則溶解氧濃度過(guò)大，會(huì)產(chǎn)生過(guò)氧化現(xiàn)象；服務(wù)面積太大，就會(huì)出現(xiàn)厭氧消化。北京建筑工程學(xué)院李燕城通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出服務(wù)面積的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，可供參考：a=0.29+0.044d(6)式中：a一一個(gè)射流器所能擔(dān)負(fù)的曝氣水面正方形邊長(zhǎng)，m；d一噴嘴直徑，mm；在此經(jīng)驗(yàn)公式中d=(14?30)mm。5、 射流器安裝方式。射流曝氣器的安裝方式分為豎直(垂直)安裝(立式)和水平安裝(臥式)兩種方式。由于氣、液兩相的水平運(yùn)動(dòng)與垂直運(yùn)動(dòng)在流態(tài)上有較大的差異，所以射流器的安裝方式對(duì)它的性能有一定的影響。豎直安裝：射流向下，除了本身具有的能量外，還受重力作用，吸入室、混合室內(nèi)都不存水，因此阻力小，水利條件好；流動(dòng)比較對(duì)稱，也會(huì)減小阻力損失；工作停止時(shí)，整個(gè)射流器內(nèi)不存水，易維修管理，尤其是抽送有腐蝕氣體時(shí)，更顯示出其優(yōu)越性；但垂直安裝需要一定高度的空間。水平安裝：射流為水平方向，在流動(dòng)過(guò)程中由于重力的影響，氣泡相對(duì)地集中在上部，使阻力損失增加。通常水平安裝的負(fù)荷都比較大，而豎式安裝的負(fù)荷都比較??；從生產(chǎn)管理上要求射流器的負(fù)荷應(yīng)小些。因此在工藝沒有特殊要求的情況下，宜采用豎直安裝。6、 射流器安裝高度。安裝高度系指射流器噴口斷面中心距曝氣池水面的垂直距離。射流器在曝氣池中的安裝高度分為：（1） 浸沒式安裝：射流器噴口置于曝氣池水面下一定深度處（射流器可位于曝氣池內(nèi)或池外）。（2） 低位安裝：射流器擴(kuò)散管出口斷面比曝氣池水面高0?2m，由于高度較小，比較容易安裝。工作壓力條件下，高位安裝比低位安裝的吸氣量可以增加30%左右。這是由于利用液體位能對(duì)氣體進(jìn)行了附加壓縮的緣故。但提升液體到高位安裝的射流器，需要增加耗用功率，而且需要較大的空間來(lái)滿足安裝高度的要求。因此使這種安裝方式的應(yīng)用受到限制。研究結(jié)果表明，射流器的安裝高度對(duì)充氧動(dòng)力效率E的影響是很大的。高位射流的動(dòng)力效率最低，低位安裝稍高（提高30%以上），浸沒式安裝最高（比低位安裝高20%左右）；另外，浸沒式安裝比低位安裝的氧利用率高（高約25%左右）。三、擴(kuò)散管（尾管）對(duì)工藝的影響1、在喉管內(nèi)液體的紊動(dòng)與吸氧率的關(guān)系射流形成高速紊流，一方面可使曝氣器噴嘴處局部飽和的水迅速與虧氧混合以增加吸氧速率；另一方面可產(chǎn)生穿透活性污泥絮體的剪切應(yīng)力，提高了傳質(zhì)速率，單位時(shí)間內(nèi)能獲得較高的吸氧率。根據(jù)雙膜理論，F(xiàn)ick等人認(rèn)為物質(zhì)擴(kuò)散速率與濃度梯度成正比，即Vd=DL*（dC/dX）（1）

式中：Vd—物質(zhì)的擴(kuò)散速率（溶解氧的傳質(zhì)速度），單位時(shí)間內(nèi)單位

斷面上通過(guò)的物質(zhì)數(shù)量（溶氧量）:DL一擴(kuò)散系數(shù)，表示物質(zhì)在某種物質(zhì)中的擴(kuò)散能力，主要取決于擴(kuò)

散物質(zhì)和介質(zhì)的特性及溫度；dC/dX一濃度梯度，即單位長(zhǎng)度內(nèi)的濃度變化值，從射流器構(gòu)造來(lái)分析我們可以這樣認(rèn)為，在射流的管段內(nèi)，當(dāng)氧和污水(污泥)接觸的瞬時(shí)，射流水柱的表面氧的濃度最大，然后水柱流經(jīng)喉管時(shí)，氣流開始混合，在剪切力的作用下發(fā)生紊流，氧向管內(nèi)的污水轉(zhuǎn)移，被吸收的氧的總量不變，但濃度在降低，為濃度梯度的形成段。dX不能單純的理解為長(zhǎng)度，它可以是一個(gè)面或一個(gè)單位體積，一個(gè)微粒體積的水和一個(gè)微粒體積的氧相互切割、碰撞、磨擦產(chǎn)生不規(guī)則的高速運(yùn)動(dòng)，它們的比表面積成倍增大，濃度梯度在不斷減小，氧的利用率在不斷提高。這就是溶解氧為什么利用率較高的成因之一。對(duì)于不與溶劑起化學(xué)作用，并且溶解度較小的氣體，在一定溫度下溶

入液體的氣體量可用亨利定律計(jì)算：CA=HA?PA (2)式中：CA一溶質(zhì)在液相中的摩爾濃度，mol/L；PA—溶質(zhì)在氣相中的分壓，Pa；HA—亨利系數(shù)，mol/(L?Pa)。由以上的公式(1)、(2)可推導(dǎo)出氧轉(zhuǎn)移公式：dC/dt=KLa(CS-C) (3)式中：dC/dt—液相主體中溶解氧濃度變化速率(或氧轉(zhuǎn)移速率)，KgO2/(m3?h)；Cs—飽和溶解氧濃度，KgO2/m3；（Cs-C）—氧濃度差，Cs-C差越大，Vd越大，由此而形成氧的傳質(zhì)推動(dòng)力，KgO2/m3；KLa一氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，比值表示在曝氣過(guò)程中氧的總傳遞性，當(dāng)傳遞過(guò)程中阻力大時(shí)，則KLa值低，反之則KLa高；我們把它稱為第一次氧向污水（或回流污泥）的轉(zhuǎn)移，此時(shí)污水（污泥）為氧含量最高，處于過(guò)飽和狀態(tài)。dC/dt在射流管內(nèi)的過(guò)程是相當(dāng)快的。一般在2秒內(nèi)即可完成。2、擴(kuò)散管（尾管）排出與吸氧率的關(guān)系擴(kuò)散管（尾管）充當(dāng)著氣一液一固混合物向曝氣池中排放的作用。擴(kuò)散管（尾管）的大小影響到抽吸氣氣量及氧轉(zhuǎn)移作用，尾管具有增強(qiáng)水氣混合和增加溶解氧的作用，從而能達(dá)到強(qiáng)烈攪拌的目的，在喉管存在著過(guò)飽和的溶解氧和夾帶微型空氣泡，通過(guò)尾管的釋放作用，我們把它稱為第二次氧的轉(zhuǎn)移，公式（1）、（2）、（3）照樣適用，特別是式（3）它完成的過(guò)程是較慢的，其速度主要取決于曝氣池的大小和池中水體有效的攪拌半徑的密切的聯(lián)系，小到幾分鐘，大到數(shù)個(gè)小時(shí)。這個(gè)過(guò)程是應(yīng)控制的。池中的溶解氧維持在1.5—2.5mg/l的范圍內(nèi)。此時(shí)將處于傳質(zhì)狀態(tài)，此時(shí)的傳質(zhì)狀態(tài)，可以從以上論述得知，尾管大小、長(zhǎng)度、浸沒深度及出口位置對(duì)充氧效果都有重要影響。氣一液排放方式。氣一液混合物經(jīng)尾管后排至曝氣池中，目前采用兩種形式：即尾管直接排放（又稱直管排放）和用穿孔管分布排放。研究結(jié)果表明：在最佳工作狀態(tài)下，如果在尾管輸送過(guò)程中發(fā)生氣液二次分離，穿孔管可以起一定的空氣擴(kuò)散器作用，采用穿孔管分布要比用直管分布充氧能力提高30%以上，若尾管中不發(fā)生氣液二次分離，僅能提高10%。但尾管上增加穿孔管會(huì)增大阻力損失，并且當(dāng)應(yīng)用于污水處理中時(shí)，由于活性污泥及雜質(zhì)的堵塞作用，穿孔管往往因?yàn)樾】妆欢露鴾p小通液面積，亦會(huì)降低進(jìn)氣量。3、擴(kuò)散管對(duì)控制曝氣池工藝的運(yùn)行的作用擴(kuò)散管(尾管)的作用就是把從射流器引射的空氣釋放到曝氣池中，擴(kuò)散管布置型式對(duì)曝氣池運(yùn)行工況有比較重要的作用。從曝氣池工藝要求來(lái)看，混合液的流速不能低于10cm/s，否則就出現(xiàn)沉淀和死角，不利于曝氣池的運(yùn)行工藝。但擴(kuò)散管安裝布置是很難